Med arméfinansiering har forskare vid University of Rochester utvecklat en aluminiumpanel som är vinklad mot solen och renar vatten. Kredit:Med tillstånd från University of Rochester
Att tillhandahålla rent vatten till soldater i fält och medborgare runt om i världen är viktigt, och ändå en av världens största utmaningar. Nu kan ett nytt supertransporterande och superljusabsorberande aluminiummaterial utvecklat med arméfinansiering ändra på det.
Med finansiering från Army Research Office, en del av U.S. Army Combat Capabilities Development Commands Army Research Laboratory, forskare vid University of Rochester har utvecklat en ny aluminiumpanel som mer effektivt koncentrerar solenergi för att avdunsta och rena förorenat vatten.
"Armén och dess krigskämpar springer på vatten, så det finns ett särskilt intresse för grundläggande materialforskning som kan leda till avancerad teknik för att generera dricksvatten, " sa Dr Evan Runnerström, programledare på ARO. "De kombinerade supertransporterande och ljusabsorberande egenskaperna hos dessa aluminiumytor kan möjliggöra passiv eller lågeffektsvattenrening för att bättre upprätthålla krigsfightern i fältet."
Forskarna utvecklade en laserbearbetningsteknik som gör vanlig aluminium becksvart, gör den mycket absorberande, samt supertransporterande (det transporterar vatten uppåt mot tyngdkraften). De applicerade sedan detta superabsorberande och supertransporterande aluminium för denna solvattenrening.
Tekniken fanns med i Naturens hållbarhet , använder en skur av femtosekund (ultraskorta) laserpulser för att etsa ytan på en normal aluminiumplåt. När aluminiumpanelen doppas i vatten i en vinkel mot solen, den drar en tunn hinna av vatten uppåt över metallens yta. På samma gång, den svärtade ytan behåller nästan 100 procent av den energi som den absorberar från solen för att snabbt värma upp vattnet. Till sist, vekens ytstrukturer förändrar vattnets intermolekylära bindningar, öka effektiviteten av förångningsprocessen ytterligare.
"Dessa tre saker tillsammans gör att tekniken fungerar bättre än en idealisk enhet med 100 procent effektivitet, sade professor Chunlei Guo, professor i optik vid University of Rochester. "Detta är en enkel, hållbar, billigt sätt att hantera den globala vattenkrisen, särskilt i utvecklingsländer."
Experiment från labbet visar att metoden minskar förekomsten av alla vanliga föroreningar, som tvättmedel, färgämnen, urin, tungmetaller och glycerin, till säkra nivåer för att dricka.
Forskarna utvecklade en laserbearbetningsteknik som gör vanlig aluminium becksvart, gör den mycket absorberande, samt supertransporterande. De applicerade sedan detta superabsorberande och supertransporterande aluminium för solvattenrening. Kredit:Med tillstånd från University of Rochester
Tekniken kan också vara användbar i utvecklade länder för att lindra vattenbrist i torkadrabbade områden, och för vattenavsaltningsprojekt, sa Guo.
Att använda solljus för att koka har länge varit känt som ett sätt att eliminera mikrobiella patogener och minska dödsfall från diarréinfektioner, men kokande vatten eliminerar inte tungmetaller och andra föroreningar.
Solbaserad vattenrening; dock, kan avsevärt minska dessa föroreningar eftersom nästan alla föroreningar lämnas kvar när det förångande vattnet blir gasformigt och sedan kondenserar och samlas upp.
Den vanligaste metoden för solbaserad vattenavdunstning är volymuppvärmning, där en stor volym vatten värms upp men endast det översta lagret kan avdunsta. Detta är uppenbarligen ineffektivt, Guo sa, eftersom endast en liten del av värmeenergin används.
Ett mer effektivt tillvägagångssätt, kallas gränssnittsuppvärmning, platser som flyter, absorberande och fukttransporterande material i flera lager ovanpå vattnet, så att endast vatten nära ytan behöver värmas upp. Men de tillgängliga materialen måste alla flyta horisontellt ovanpå vattnet och kan inte möta solen direkt. Vidare, de tillgängliga uppsugningsmaterialen blir snabbt igensatta med föroreningar som lämnas kvar efter avdunstning, kräver ofta utbyte av materialen.
Aluminiumpanelen som forskarna utvecklade undviker dessa svårigheter genom att dra ut ett tunt lager vatten ur reservoaren och direkt på solabsorbatorns yta för uppvärmning och förångning.
"Dessutom, eftersom vi använder en yta med öppen räfflor, det är mycket lätt att rengöra genom att enkelt spraya det, "Sa Guo. "Den största fördelen är att vinkeln på panelerna kan justeras kontinuerligt så att de är direkt vända mot solen när den går upp och sedan rör sig över himlen innan den går ner – vilket maximerar energiabsorptionen."
